黃金時代就要來了嗎？世界上最薄的黃金曝光了！
金箔是一種極薄的黃金薄片，常用於裝飾甜點以提升奢華感，其厚度約為10-7米。隨著科技進步，材料科學家合成了僅一原子層厚的金箔片，稱為Goldene，這是一種二維材料，又被稱為石墨稀的金黃表兄弟。Goldene是一種半導體材料，能幫助精確控制電流，滿足奈米電子元件需求，而且其巨大的表面積使其成為優異的催化劑，可降低化學反應活化能。瑞典林雪平大學發展出防止Goldene捲曲的方法，但製備過程相當耗時，若要大規模生產仍有難度。未來，隨著製備技術的完善，Goldene將在奈米元件和催化領域發揮更大作用，讓我們一起過上一個真正的「黃金時代」。
撰文｜黃鼎鈞
金箔是一種黃金薄片，由於黃金的高度延展性，可以透過錘打黃金使其變為薄片，常被用來裝飾甜點，提升食物的奢華感。它的厚度約在10-7米左右，那麼金片到底可以有多薄呢？隨著科學技術的進步，材料科學家已經能合成出僅一原子層厚度的金箔片，這種二維材料被稱為Goldene。在2024年4月份的《Nature Synthesis》期刊上，Goldene又被稱為石墨烯的「表兄弟」。
從導體變成半導體，惰性金屬變催化高手
當石墨變成二維結構的石墨烯時，其電性產生了劇烈的變化，在特定情況下，導電度可以提升一萬倍以上；同樣地，當黃金變成二維結構Goldene時，也產生了巨大的變化，不同的是，它反而從導體變成了半導體，成為奈米元件的應用材料。
這種變化主要來自於庫倫阻塞效應 (Coulomb Blockade Effect)，當導電體的體積變得足夠小，電子之間的距離變得非常近，因而產生斥力，導致電子移動時需要克服一定的能量障礙，因此需要外加電場才能驅動電流。想像一下，電子在導體中就像跑車在高速公路上馳騁，但若車輛太密集，跑車也會塞車，無法自由行駛，這就是電子在Goldene中的困境。
此外，在這種電子系統中，還會產生電子振盪，這現象描述了電子隨著施加的電壓產生週期性的流動，就像高速公路的匝道管控，電子會以特定的節奏通過導電體，藉由庫倫阻塞效應和電子振盪，我們可以在Goldene上精確控制電流，以滿足奈米電子元件的需求。
除了電性的轉變之外，黃金原本屬於惰性金屬，不易與其他化學元素反應，但在微觀世界中，奈米級的金卻成為具有優異催化能力的材料。催化作用指的是自身不被消耗，卻能降低反應的活化能，提供不同的反應路徑，使化學反應更易發生的效果。過去的研究發現，奈米金粒可以催化一氧化碳及揮發性有機化合物的反應，有助於清除有害氣體，減少空氣汙染，還能進行水分解，產生氫氣能源，減少對化石燃料的依賴。Goldene具有更大的表面積，預期會有比奈米金粒更優異的催化效果。
如何製作Goldene？
早在2015年，就有理論計算預測二維薄金Goldene的存在，並指出其性質穩定且堅固，然而，大多數研究得到的Goldene卻容易捲曲，無法像石墨烯一樣成為穩定平坦的薄膜，主要原因是製備過程中Goldene受到不均勻的損傷，使結構中殘留應力，導致聚集現象。2024年，瑞典林雪平大學 (Linköping University) 發展出一套製備方法來防止Goldene捲曲，這項研究登上了《Nature Synthesis》期刊。首先，他們在SiC基板上生長Ti3SiC2膜，通過磁控濺射沉積一層金。接著，將這些膜在高溫下退火，讓金滲透進入Ti3SiC2膜，形成Ti3AuC2。然後，使用Murakami試劑和表面活性劑（如CTAB和半胱氨酸）進行化學選擇性蝕刻，去除Ti3C2層並釋放出單原子厚的金層，且表面活性劑有助於穩定金層，防止捲曲。不過，這個蝕刻過程需時至少一週，增加了一定的製備困難度，難以大規模生產。
隨著科技的進步，金箔將不僅僅用於提升甜點的奢華感，它將變得更薄，成為奈米元件中的重要半導體材料。當黃金二維化成為Goldene時，它將從導體轉變為半導體，並從惰性金屬轉變為優異的催化劑。期待未來科學家克服Goldene製備的困難，以至於黃金能被應用至所有的科技工業裝置之中，我們的生活或將充滿黃金，進入真正的「黃金時代」。
參考文獻
- Sharma, S., Pasricha, R., Weston, J., Blanton, T., & Jagannathan, R. (2022). Synthesis of Self-Assembled Single Atomic Layer Gold Crystals-Goldene. ACS Applied Materials & Interfaces, 14, 54992 - 55003.
- Kashiwaya, S., Shi, Y., Lu, J. et al. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold. Nat. Synth 3, 744–751 (2024).
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